激光在不同的制造过程中被使用,并且近年来光谱变得越来越宽。无论是传感器技术中的VCSELs,用于焊接电池的蓝色和绿色激光器,增材制造中的强大光纤激光器,还是医疗技术中的量子级联激光器,激光技术目前正在给众多行业带来革命。但有一件事非常突出——即使在现代生产工厂,通过测量激光系统本身来使基于激光的工艺更加可持续的机会往往被忽视。

有许多新技术和仪器有助于提高基于激光的过程的生产质量,同时简化文档和节约资源。如今,甚至可以在机器人单元的非常短的装载期间或在添加剂制造中的密封结构室中具有循环时中性的整个光束刻度物,完全自动测量。

悖论风险

多年来,存在持续存在的信念,即激光束本身是“无需维护”,因为它永远不会“沉闷”作为工具。即使是现在,仍有公司投资最先进的生产设施,而是衡量激光的光临太少,并且使用过时的测量技术。现实是激光过程随着时间的推移而变化。工业中的人们开始意识到检查聚焦激光束的重要性。除了增加对组件质量的需求和许多公司面临的经济压力外,可持续性正在成为一个关键的决策因素。但这里,激光技术和环境意识应携手共进。目标是简单的:

  • 没有废料;

  • 减少材料消耗;

  • 降低能耗;

  • 最小化返工。

在设计过程时,必须牢记一件事:激光器只有工作以及其光束递送。它的内置组件确实磨损并随着时间的推移而变脏。这通常会导致聚焦直径变得更大或焦点偏移,这也导致更大的光束直径。在任何一种情况下,这会降低处理级别的功率密度。如果这些变化无意义,会出现额外的成本 - 在缺陷的部件和/或时间和劳动中浪费的材料浪费在解决问题中。为了弥补该过程的变化,而无需实际修复源,用户求助于降低处理速度和/或增加激光功率。两者都导致能量和工艺气体的耗材更高。换句话说......没有任何人想要或能买得起的东西!

重点质量和单位成本

为了增加激光过程的可持续性,可以从几个不同的入口点开始。首先,了解光束焦点的表现方式是至关重要的,以及激光功率和焦点位置的任何变化如何影响过程。这些调查通常在开发期间进行。

图2.焦点质量与工业制造过程中的单位成本之间的关系。

然而,一旦激光过程投入运行,测量可以告诉激光在开发中是否仍然在生产环境中工作。随着操作的继续,基本的维护任务包括检查光学镜头和保护窗 - 并根据需要更换它们。如果发生错误和拒绝,建议具有明确的测量策略,该策略定义如何快速将激光系统备份和再次运行。

以下程序通常会产生良好的结果:

  1. 检查切割喷嘴的光束调节(如果相关)。
  2. 更换防护窗。
  3. 检查光束路径调整。
  4. 检查激光输出光束的功率和光束轮廓。

要测量的中心参数是激光功率,聚焦直径,聚焦位置(x,y,z),聚焦换档,光束轮廓和发散,光束质量m2以及BPP(光束参数产品)。但是,对于所有这些测量,不应仅基于激光功率来决定使用的测量技术的问题;必须知道激光功率密度至关重要。

激光功率密度定义为每单位面积的功率(瓦​​特/厘米2)。焦点直径的变化 - 例如,由于冷却的镜片或脏保护窗口,对激光束的功率密度产生直接影响,并且可以具有多种后果:

  • 旅行速度可能不得不降低。

  • 切割或焊接过程中加工部件的质量可能存在。

  • 生产时间和功耗可以增加,因此需要在加工中使用的昂贵气体。

  • 热影响区(HAZ)将更大,需要更多的后处理处理,如矫直,去毛刺,或抛光。在某些情况下,未被发现的产品质量损失可能会导致强度下降——一旦发现这种缺陷,可能会导致代价高昂的召回。

这些技术影响不可避免地对成本和可持续性造成重大损失。在处理点的光束质量偏差越大,消耗的能量和过程气体就越多。

高效的功率测量

即使有了这些明确的相关性,批评者通常声称,测量激光束太昂贵,仪器过于脆弱。但是,新技术可用于最佳适用于工业应用。

例如,MKS仪器最近推出了一种新的功率计,不仅涵盖了广泛的激光应用,而且还非常小,紧凑,强大。Ophir Ariel基于快速测量能量的快速测量激光功率。即使在连续模式下,也可以测量高达500W的功率水平。不同的波长范围 - 440-550nm,900-1100nm,10.6μm和2.94μm - 可以校准并用一个设备测量并测量。包括包括的扩散器可以容易地连接,使得仪器还适用于高功率密度,例如当光束直径小。

考虑到使用激光测量的工业环境,系统设计需要坚固;最好是防震,防尘和防溅;无需用水或空气冷却。这允许在封闭的施工室中测量,通常是在添加剂制造或机器人细胞中的需要。测量应使用应用程序或PC可通过蓝牙进行可读,并直接显示在高分辨率显示屏上。或者,它们可以存储在内部存储器中并通过USB-C接口传输。开发人员,运营商和服务技术人员可以通过快速确定具有这种紧凑型仪器的激光功率来获得流程质量的第一印象。

自动化流程

为了在自动激光生产系统中的性能测量,还有紧凑且强大的系统可提供,无需水冷即可。这种系统快速可靠地测量激光束,并且它们通过适当的网络接口将数据传输到中央数据存储系统。这种系统包括标准RS232接口。更多现代系统,例如Ophir Helios Plus,也有PROFINET或以太网/ IP接口。使用热量测量方法,此类设备可以在几秒钟内确定高达10 kW或更高的激光功率。

即使在非常复杂的过程中,如焊接电池组或制造燃料电池,即使是燃料电池,激光功率的主动测量也可以快速且精确地。然而,应该注意的是,测量激光功率仅在更复杂的过程中仅提供第一瞥见。

为了绘制关于激光束刻录物的可靠结论,需要一种基于相机的测量系统或用于测量的非接触方法。图3左图显示了必须沿z轴移动的基于相机的测量装置,以便通过所确定的光束配置文件找到焦点位置。因此,焦点位置的快速变化难以检测。在右边是非接触测量技术的示意图,其示出了一下子的整个光束的腐蚀性。这里,焦点位置的变化立即显示,并在空间和时间内得到解决。

图3。基于相机和基于光束的测量技术的原理图比较。

特别是在自动化生产领域,激光光束的非接触式测量具有广阔的发展前景。在敏感领域,如齿轮箱或电池组的制造,新产品将多种测量方法结合在一个单一的系统。例如,在Ophir BeamWatch集成系统中,可以使用非接触测量技术记录光束焦散;水冷式高功率激光测量头决定了激光功率;测量数据通过集成接口(Profinet、Ethernet/IP、CC-Link、GigE)传递到生产网络。不同的焊接头和参数也可以测试。通过以视频帧速率捕获光束,可以近乎实时地检测到焦点偏移,如图4所示。在这里,一个肮脏的保护性窗户是焦点转移的原因。

图4. Ophir BearWatch集成仪表显示脏玻璃(下图)引起的焦点换档,与玻璃清洁时(上图)相比。

更大的可持续性

激光系统是各种复杂制造过程的中心。由于测量技术的创新,制造商和用户现在有广泛的选择主动测量激光束。可快速准确地记录和调整激光关键参数。这确保了工艺在最佳条件下运行,没有由于能源和材料的浪费而产生的额外成本,并且所生产的产品满足最高质量要求。因此,激光测量技术为可持续生产做出了重要贡献。

本文是由Christian Dini,Director Development,Ophir(北洛根,UT)编写的。有关更多信息,请访问在这里


光子与成像技术杂志

本文首次发表于《华尔街日报》2021年5月号光子和成像技术杂志。

阅读更多来自档案馆的文章在这里